Molécule photonique contrôlée par micro-ondes. a) La molécule photonique est réalisée par une paire de résonateurs optiques à micro-anneaux couplés identiques (fréquence de résonance ω1=ω2). Le système a deux niveaux d'énergie distincts - un mode optique symétrique et un mode optique antisymétrique (indiqué ici par un ombrage bleu/bleu pour le mode symétrique et rouge/bleu pour le mode antisymétrique) qui sont spatialement déphasés de . Le champ micro-onde peut interagir de manière cohérente avec le système à deux niveaux grâce au fort effet Pockels (χ(2)) du niobate de lithium. b) Image au microscope électronique à balayage en fausses couleurs des résonateurs à micro-anneaux couplés. c) Spectre de transmission mesuré du système photonique à deux niveaux. Les deux modes optiques sont séparés par 2μ= 2π× 7 GHz avec des largeurs de raie de γ= 2π× 96 MHz correspondant à un facteur de qualité optique chargé de 1,9 × 106. d) Les spectres de transmission résultants d'un courant continu appliqué. champ montrent une courbe anti-croisement due au couplage optique fini entre les deux anneaux, qui est analogue au courant continu Effet austère dans un système canonique à deux niveaux. NT, transmission normalisée. Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Les systèmes physiques avec des niveaux d'énergie discrets sont omniprésents dans la nature et forment des blocs de construction fondamentaux de la technologie quantique. Il a déjà été démontré que des systèmes artificiels de type atome et molécule régulent la lumière pour un contrôle cohérent et dynamique de la fréquence, l'amplitude et la phase des photons. Dans une étude récente, Mian Zhang et ses collègues ont conçu une molécule photonique avec deux niveaux d'énergie distincts, en utilisant des résonateurs à micro-anneaux en niobate de lithium couplés qui pourraient être contrôlés via une excitation micro-ondes externe. La fréquence et la phase de la lumière pourraient être exploitées avec précision par des signaux micro-ondes programmés à l'aide de systèmes canoniques à deux niveaux pour inclure la division Autler-Townes, Changement brutal, Les phénomènes d'oscillation de Rabi et d'interférence de Ramsey dans l'étude. Grâce à un tel contrôle cohérent, les scientifiques ont montré un stockage et une récupération optiques à la demande en reconfigurent la molécule photonique en une paire de modes clair-obscur. Le contrôle dynamique de la lumière dans un système électro-optique programmable et évolutif ouvrira des portes pour des applications dans le traitement des signaux micro-ondes, portes photoniques quantiques dans le domaine fréquentiel et d'explorer des concepts en calcul optique ainsi qu'en physique topologique.
Les résultats sont maintenant publiés sur Photonique de la nature , où Zhang et al. surmonté le compromis de performance existant, pour réaliser un système photonique programmable à deux niveaux qui peut être contrôlé dynamiquement via des signaux micro-ondes gigahertz. Pour y parvenir, les scientifiques ont créé une molécule photonique adressable par micro-ondes à l'aide d'une paire de résonateurs à micro-anneaux intégrés en niobate de lithium, disposés à proximité les uns des autres (rayon 80 μm). Les effets combinés d'une faible perte optique, la co-intégration efficace de guides d'ondes optiques et d'électrodes micro-ondes a permis la réalisation simultanée d'une large bande passante électrique (> 30 GHz), forte efficacité de modulation et longue durée de vie des photons (~2 ns).
Un analogue photonique d'un système à deux niveaux peut généralement faciliter l'étude de phénomènes physiques complexes dans les matériaux, électronique et optique. De tels systèmes véhiculent des fonctions importantes, y compris le stockage et la récupération uniques de photons à la demande, décalage de fréquence optique cohérent et traitement de l'information quantique optique à température ambiante. Pour le contrôle dynamique des systèmes photoniques à deux niveaux, les méthodes électro-optiques sont parfaitement adaptées en raison de leur réponse rapide, programmabilité et possibilité d'intégration à grande échelle.
Détail de l'appareil et de la configuration expérimentale. a) Image au microscope électronique à balayage (MEB) de l'espace entre les résonateurs à micro-anneaux couplés. b) Coupe transversale du profil de mode optique dans le résonateur en anneau. c) Image en micro-anneau du dispositif complet montrant les électrodes à double anneau et à micro-ondes. d) Image SEM du réseau de dispositifs à double anneau fabriqués sur une seule puce. Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Pour la commande électro-optique d'un système à deux niveaux, la durée de vie des photons de chaque état énergétique doit être plus longue que le temps nécessaire au système pour passer d'un état à l'autre. Jusqu'à présent, les plates-formes photoniques intégrées conventionnelles n'ont pas répondu aux exigences d'une longue durée de vie des photons et d'une modulation rapide. Plateformes photoniques électriquement actives (à base de silicium, graphène et autres polymères), permettent une modulation électro-optique rapide à des fréquences gigahertz mais souffrent d'une durée de vie des photons plus courte. Cependant, le réglage électrique pur est toujours hautement souhaitable, car les signaux hyperfréquences à bande étroite offrent un bien meilleur contrôle avec un minimum de bruit et d'évolutivité.
Dans leur travail, Zhang et al. ont montré que la transmission optique de la molécule photonique mesurée à l'aide d'un laser à longueur d'onde télécom, pris en charge une paire de niveaux d'énergie optique bien définis. Le couplage évanescent de la lumière d'un résonateur à un autre a été possible grâce à un espace de 500 nm entre les résonateurs à micro-anneau pour former les deux niveaux d'énergie optique bien résolus. Les scientifiques ont exploré l'analogie entre un système atomique et photonique à deux niveaux pour démontrer le contrôle de la molécule photonique.
Installation expérimentale étendue. L'appareil est pompé optiquement par un laser télécom accordable centré autour de 1630 nm. La lumière est envoyée à travers un modulateur électro-optique externe et des contrôleurs de polarisation (PLC) avant d'être couplée dans la puce avec une fibre optique. Le signal optique de sortie, couplée également à une fibre optique est envoyée vers un photodétecteur 12 GHz. Le signal électrique converti est dirigé vers un oscilloscope. Les signaux de commande micro-ondes sont générés par un générateur d'ondes arbitraires (AWG) et amplifiés avant d'être envoyés dans l'appareil. Une polarisation T est utilisée pour permettre le contrôle DC sur les microrésonateurs. Un isolateur électrique est utilisé pour capturer la réflexion électrique des microrésonateurs. L'oscilloscope, les signaux de commande du dispositif et les signaux de commande du modulateur sont tous synchronisés. Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Dans les expériences, la lumière du laser de longueur d'onde télécom accordable a été lancée dans les guides d'ondes au niobate de lithium et collectée à partir d'eux via une paire de fibres optiques à lentilles. Les scientifiques ont utilisé un générateur de formes d'ondes arbitraires pour faire fonctionner des signaux de commande micro-ondes avant de les envoyer à des amplificateurs électriques. Le chevauchement efficace entre les micro-ondes et les champs optiques observés dans le système a permis une efficacité d'accord/modulation plus élevée que celles précédemment observées avec les systèmes électro-optiques en vrac. Une telle conversion micro-onde-optique cohérente peut relier des processus quantiques électroniques et des mémoires via une télécommunication optique à faible perte, pour des applications dans les futurs réseaux d'information quantique.
Zhang et al. ensuite utilisé un champ hyperfréquence cohérent à onde continue pour contrôler un système photonique à deux niveaux. Dans ce système, le nombre de photons pouvant peupler chacun des deux niveaux n'était pas limité à un. La fréquence de division du système a été contrôlée avec précision jusqu'à plusieurs gigahertz en contrôlant l'amplitude des signaux micro-ondes. L'effet a été utilisé pour contrôler la force de couplage efficace entre les niveaux d'énergie de la molécule photonique. La dynamique spectrale cohérente dans la molécule photonique a été étudiée pour une variété de forces micro-ondes appliquées au système photonique à deux niveaux. Les scientifiques ont également décrit l'amplitude et la phase contrôlées du système en utilisant l'oscillation de Rabi et l'interférence de Ramsey, tout en utilisant des sphères de Bloch/des représentations géométriques du système d'énergie photonique à deux niveaux pour représenter les phénomènes.
Guides d'ondes photoniques habillés de micro-ondes. a) Lorsque la fréquence hyperfréquence appliquée est réglée pour correspondre à la séparation de mode, le couplage dissipatif conduit les deux niveaux photoniques à se diviser en quatre niveaux. Cet effet est analogue à la division Autler-Townes. Lorsque le micro-onde est désaccordé loin du dédoublement du mode photonique, les niveaux d'énergie photonique subissent un effet dispersif, conduisant à un changement dans les niveaux photoniques. Cet effet est analogue à a.c. Des changements brutaux. b) Division d'Autler-Townes mesurée dans la molécule photonique, où la division peut être contrôlée avec précision par l'amplitude du signal hyperfréquence appliqué. c) Courant alternatif photonique mesuré Des décalages importants pour un signal micro-ondes à 4,5 GHz. Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Le travail a permis une écriture et une lecture contrôlées de la lumière dans un résonateur, à partir d'un guide d'ondes externe pour réaliser le stockage et la récupération de photons à la demande, une tâche critique pour le traitement du signal optique. Pour faciliter cela expérimentalement, Zhang et al. appliqué une grande tension de polarisation continue (15 V) pour reconfigurer le système à double anneau en une paire de modes lumineux et sombre. Dans la configuration, le mode localisé dans le premier anneau donnait accès aux guides d'ondes optiques et devenait optiquement brillant (mode brillant). L'autre mode était localisé dans le deuxième anneau qui était géométriquement découplé du guide d'onde optique d'entrée pour devenir optiquement sombre. Par conséquent, les scientifiques ont démontré un contrôle cohérent et dynamique d'une molécule photonique à deux niveaux avec des champs de micro-ondes et un stockage/récupération de photons à la demande grâce à des expériences méticuleuses dans l'étude. L'ouvrage ouvre la voie à une nouvelle forme de contrôle sur les photons. Les résultats sont une première étape avec des applications potentiellement immédiates dans le traitement du signal et la photonique quantique.
Stockage et récupération de la lumière à la demande à l'aide d'un mode sombre photonique. a) La molécule photonique est programmée pour produire des modes lumineux et sombre localisés. Par conséquent, le mode lumineux est accessible depuis le guide d'onde optique, alors que le mode sombre ne le peut pas (interdit par la géométrie). b) Un champ hyperfréquence appliqué au système peut induire un couplage efficace entre les modes clair et sombre, indiqué par le croisement évité dans le spectre de transmission optique. c) La lumière peut être stockée et récupérée à l'aide de la paire de modes clair-sombre et de la commande micro-ondes. Une impulsion micro-onde π peut être appliquée pour transférer la lumière du mode clair au mode sombre. Lorsque le micro-ondes est éteint, la lumière est restreinte à tout couplage de guide d'ondes externe. Après un certain temps de stockage souhaité, une seconde impulsion micro-onde récupère la lumière du mode sombre au mode clair. , γi et γex sont les durées de vie du mode optique brillant, amortissement intrinsèque et taux de couplage du guide d'ondes, respectivement. d) La lumière récupérée du mode sombre mesurée à différents délais, représenté par les tracés de haut en bas avec un incrément de retard de 0,5 ns. Encart :l'intensité extraite de la lumière récupérée montre près du double de la durée de vie du mode lumineux couplé de manière critique. Les barres d'erreur montrent l'incertitude dans la lecture de l'intensité optique. MW, four micro onde; NT, transmission normalisée; a.u., unités arbitraires. Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Les paramètres de conception des résonateurs couplés offrent un espace pour étudier le contrôle dynamique des systèmes photoniques à deux et plusieurs niveaux, menant à une nouvelle classe de technologies photoniques. Les scientifiques envisagent que ces découvertes conduiront à des avancées en photonique topologique, des concepts avancés de calcul photonique et des systèmes quantiques optiques basés sur la fréquence sur puce dans un avenir proche.
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